一、单片机的发展

1970年微处理器研制成功之后，随着就出现了单片机(即单片的微型计算机)。1971年美国Intel公司生产的4位单片机4004和1972年生产的雏型8位单片机8008，特别是1976年9月Intel公司的MCS-48单片机问世以来，在短短的十几年间，经历了多次更新换代，其发展速度大约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。发展速度之快、应用范围之广已达到了惊人的地步。它已渗透到生产和生活的各个领域，可谓无孔不入。

下面列举单片机发展过程中的一些重要事件，对单片机的发展情况作概要说明。

1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机，它以体积小，功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础。成为单片机发展进程中的一个重要阶段。

在MCS-48成功的刺激下，许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片机系列。到目前为止，世界各地厂商己研制出大约50个系列，30多个品种的单片机产品，其中有Motorola公司的6801、6802Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501、6502等，此外日本的NEC公司，日立公司及EPSON公司等也都相继推出了各具特色的单片机品种。

尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当属Intel公司的MCS-51系列单片机系列。MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在，MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。国内尤以MCS-51系列单片机应用最广。由于8位单片机的高性能价格比(如Z8系列的Z8600、80C51系列的80C31每片仅1-1.5美元)，估计近几年内，8位单片机将仍是单片机中的主流机型。

对工业控制、智能仪表等诸多较高层次的应用领域，8位单片机系列在性能、价格两方面有较好的兼顾。

在8位单片机之后，16位单片机也有很大发展，例如1983年Intel公司推出的MCS-96系列单片机就是其中的典型代表。与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且还具有4路或8路的lO位A/D转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。在高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，16位单片机大有用武之地，目前Intel的MCS-96系列单片机在国内已得到较好的应用，它必将以高性能的特点在国内得到大规模推广。

综观近三十年的发展过程，单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。预计其今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：

① 微控制器的CPU核仍以CISC为主，但向RISC演化

在传统微控制器领域内还是以当初Intel确立的哈佛结构(程序和数据存储器相分立的体系)和复杂指令集系统(CISC)为主。只有少数厂家生产精简指令集计算机，但仍保留了哈佛的分立存储器结构，并没有采用冯 诺依曼的程序、数据相合并的存储结构。少数生产RISC的计算机厂家有Microchip的8位PICl2／16／17／18Fxxx微控制器、Atmel的8位AVR微控制器、SCENIX 的8位SXl8／20／28AC和SX48／52BD微控制器。这3个厂家都使用了快闪存储器(FLASH)存放程序。

而Vautomation Co．的VUSB芯片是在8位RISC MCU V8的基础上，增加了USB核，由其上的固件支撑USB的工作。V8 MCU和USB核共占用10000个门。USB核可用于主机端或设备端。USB命令可用C语言、API以及硬件描述语言VHDL进行修改。在不必改动硬件的条件下就可改变USB的包长和缓冲器长。若要改动硬件，只需联系Vautomation厂家，便可通过Internet提供实现代码。

② 提升指令执行速度

提高8位的振荡器频率或减少每机器周期包含的振荡器周期数都可以提高指令的执行速度。如Philips公司把12MHz的80C51从每机器周期所含振荡器周期数由12改为6，获得2倍速，Winband公司由12改为3，获得4倍速。目前，8位微控制器的频率一般可以高至33MHz~40MHz，所以，可以比较容易地从原来的1MIPS提高到10MIPS。但是，目前指令执行速度提高到50MIPS~100MIPS的都是RISC指令的8位微控制器。

提升8位微控制器工作频率已经受到普遍的重视。Hitachi半导体厂，1988年设计其8位H8微控制器时，设定的目标是要集成更多的外设和支持C语言，追求高性能而不以廉价为目的。片上提供0.5MB的FLASH存储器。最近还增加了USB和Bluetooth通信接口，也考虑生产带有Ethernet接口的芯片，还计划将通常32位机上的应用(如TCP/IP、语音识别和合成)技术下移到H8。但是，便携型设备的屏蔽措施较少，又是塑料外壳，噪声成为问题。将其频率提高到33MHz，可得20MIPS的性能，但很难通过家用电器B类FCC的条款规定，几经改进设计方法，最后才把内部噪声降下来且很好地抑制了外部噪声。

③ 集成大容量片上FLASH存储器，实现ISP、IAP

近几年，8位微控制器竞相采用FLASH存储器，这已成趋势。因为它集成密度高、价格便宜、技术先进，可以取代PROM、EPROM、OTP和EEPROM 等。Silicon Storage Technology公司用SuperFlash技术生产了兼容于805l的Flash Flex51系列芯片。其中，SST89C54／58芯片内分别具有20KB和36KB的FLASH，并利用FLASH可高速读／写的特点实现在系统烧录程序(ISP)和在应用中烧录程序(IAP)。

ISP技术是在焊接成板级系统上，直接对微控制器进行擦除和程序烧录的先进技术。SST的IAP技术，是从结构上将FLASH存储器映像为两个存储体，当运行在一个存储体上的用户程序时，在后台对另一个存储体实时烧录更新的程序，之后再将控制转向更新的程序上执行。

Philips兼容于8051的P89C51RC2／RD2是具有32KB／64KB FLASH的芯片。由于片上集成了1KB的引导和擦除／烧录用ROM固件，所以能够更好地支持ISP和IAP。顺便指出，P89C51RC2／RD2还增加了片上RAM，最多到8KB。

④ 普遍使用混合信号(数字-模拟相混合)集成技术

用CMOS工艺将数字和模拟电路集成于同一个片上的技术已经成熟，有力地削减了片外的附加器件，提高了性能和缩短了产品上市时间。如片上集成12位A／D、上电复位／掉电检测、捕捉／比较／PWM、锁相环、8 8硬件乘，以及USB、CAN总线接口等。

⑤ 增加可联网的外设接口

要求将内嵌8位微控制器的设备接入Internet的呼声渐高。虽然联网的主流应用多是使用32位的高档微处理器，但是，如果能生产高速率的8位微控制器实现某些针对性的专用设备上网，未尝不是一条蹊径。目前使用MCS-5l系列的83C51KB生产独立键盘、小型硬驱和掌上电脑的不少。但是，83C51KB缺少与Internet的连接部分。许多厂家已经看到给8位微控制器配上Bluetooth、Ethernet和Internet网络接口的需要，众多方案正在涌现。

⑥ 追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片)

降低工作电压无疑可以成平方地降低功耗。所以开始出现多电压供电的微控制器，CPU部分工作于1.5V～2.5V，而I／O口工作于3.3V～5V。为实现低功耗，应尽可能多地将片外器件集成于同一个片上，这样便于一同暂停、一同休眠或部分运行。如NEC设计了可配置成部分全速运行、部分暂停，使用户对功率的管理更加方便灵活、有效。瑞典Xemic公司为他的8位低功耗XE8000系列微控制器中增加了通用型高速低电压芯片XE8301，它的工作电压十分宽广，为1.2V～5.5V。指令速度为1 MIPS时电流仅为200 μA，在待机模式下，维持实时钟的运行仅用lμA电流。XE8000系列微控制器的内核用的是该公司8位CoolRISCMCU，指令位宽22位。

二、MCS-51系列单片机简介

从最初的单片机发展到如今的新一代单片机，大致经历了三个年代。这三个年代划分大致是:

第一代:以1976年推出的MCS-48系列为代表

其主要的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到了一个芯片上，作为与通用CPU分道扬镳、构成新型工业微控制器取得了成功，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。

MCS-51系列8位高档单片机是在总结MCS-48系列单片机的基础上，于80年代初推出的新产品。其主要的技术特征是：

扩大了片内存储容量、外部寻址空间：程序存储器和外部数据存储器的寻址都增加为64K。4K 8ROM作为内部程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序和固定常数。

在MCS-51系列单片机中，8031、8751与8051的内部结构基本相同，其区别仅在于8031内部不含有程序存储器，必须由外部扩展。8751内部程序存储器为可编程、可改写的只读存储器EPROM，其内部程序由用户自行写入。

在片内数据存储器方面，采用8位地址，寻址范围为256，其中OOH~7FH为128字节的内部RAM，用来存放用户的随机数；在80H~FFH范围内离散地分布着21个特殊功能寄存器，其中11个特殊功能寄存器具有位寻址能力。在内部RAM中，OOH~1FH可分为4个寄存器工作区。寄存器工作区由选择指令进行切换，从而有效地提高了CPU的现场保护能力和实时响应速度。2OH～2FH单元可进行位寻址。

增强了并行口、增设了全双工串行口I/O：4个8位并行I/O接口可用于地址和数据的传送，也可与8243、8155等联接，进行外部I/O接口的扩展。串行I/O接口是一个全双工串行通信口，可用于数据的串行接收和发送，这为构成串行通信网络提供了方便。

两个定时器/计数器均为16位(比8048长一倍)，且有4种工作方式，这样既提高了定时/计数范围，又使用户使用灵活方便。

增强了中断系统：在MCS-51单片机中，设置有2级中断优先级，可接受5个中断源的中断请求，中断优先级别可由用户定义。这样，就使MCS-51单片机很适合用于数据采集与处理，智能仪器仪表和工业过程控制中。

具备较强的指令寻址和运算等功能：MCS-51系列单片机有111条指令，可分为4大类，使用了7种寻址方式。这些指令44%为单字节指令，41%为双字节指令，15%为三字节指令。若用l2MHz的晶体频率，50%的指令可在1μs内执行完毕，40%的指令在2μs内执行完毕。此外，还设有减法、比较和8位乘、除法指令。乘、除法指令的执行时间仅为4μs，这样大大地提高了CPU的运算与数据处理能力。

增设了颇具特色的布尔处理机：在MCS-51的指令系统中设置有位操作指令，可用于位寻址空间，这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机。布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。

可以看出，这一代单片机主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线(AB、DB、CB)和具有多机识别功能的串行通讯接口(UART)，规范了功能单元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。

但是，无论是第一代单片机都还未突破单片微机的内涵。

第二代:以80C5l系列为代表

Intel公司于1980年推出的MCS-51奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，但不久就放弃了进一步发展计划，并实施了8051的技术开放政策。在8051实现开放后，PHILIPS公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势，着力发展80C51的控制功能及外围单元。将MCS-51的单片微型计算机迅速地推进到80C51的MCU时代，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。

Flash ROM的使用加速了单片机技术的发展。基于Flash ROM的ISP/IAP技术，极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件；而在单片机中最早实现Flash ROM技术的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。

我们习惯于将各厂家生产的与51兼容的形形色色的单片机系列称之为80C51系列。它们都采用CMOS工艺，并与MCS-51兼容。

它包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8XC152、80C5lFA/FB、80C51GA/GB、8XC451、8XC452，还包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以80C5l为核心推出的大量各具特色、与MCS-51兼容的单片机。

80C51系列单片机是在MCS-51的HMOS基础上发展起来的，它们具有CHMOS结构。80C51系列单片机保留了MCS-51单片机的所有特性，内部组成基本相同。

80C51系列单片机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。

对于87C51单片机是80C51含EPROM的产品，89C51单片机是80C51含的产品。这种单片机有两级或三级程序存储器保密系统，用于保护EPROM或中的程序，以防止非法拷贝。另外，87C51单片机还可用智能编程法进行编程。可使每个字节的编程的时间由50ms减少到4ms。速度快，效率高。

新一代、80C51系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要技术特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（Microcontroller）完善的控制功能为已任。如：为单片机配置了芯片间的串行总线如总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为80C51系列8XC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线——CAN(Controller Area Network BUS)，等。这一系列的单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。

80C51系列产品中增加了一些外部接口功能单元如A/D、PWM、